TXePET(Liquid Xe TPC PET)

Aki MakiKEK

PET(Positron Emission Tomography) とは？

PETに使用される放射性医薬品

PS-PMTPS-PMT

PS-PMTPS-PMT

PS

-PM

T PS

-PM

T

PS-PMTPS-PMT

PS-PMTPS-PMT

PS

-PM

T PS

-PM

T

PMTs

Liq. Xe

Development of PET

Crystal-PMT

Small crystal-PSPMT

DOI-PETTXePET

·TOF-PET

·TPC-PET

·Compton Telescope

PETの開発課題A) 解像度の向上　

B) 感度の向上　

C) 雑音の除去

結晶系 PETの開発戦略０）　多光量、高速、非潮解性結晶の開発

１）　結晶サイズの細分化

２）　径方向位置情報（ DOI)による画像歪の解消

　　　　・　結晶の径方向分割（多層化）

３）　パッキング率の改善

４）　 TOF による偽線源位置の排除

５）　多チャンネル高速読み出し回路の開発

６）　画像処理プログラムの開発

TX ｅ PET の開発戦略０）　高エネルギー実験技術の応用

１）　液体キセノン TPC による５１１ｋeV 光子の三次元位置測定（電離電子）

　　　　・　 DOI を含め 1mm 以下の精度

２）　蛍光の分布測定による反応の三次元位置推定と事象発生時間の決定（蛍光）

３）　体軸方向のドリフト

　　　　・　一様電場の形成が容易

　　　　・　体軸方向に広いカヴァレッジ

　　　　・　周方向にシームレス　

　　　　・　 MRI との併用に有利

４）　 TOF 等による偽線源位置の排除

５）　多チャンネル高速読み出し回路の開発

６）　画像処理プログラムの開発

TXePETR

Z

θ

E E

-HV PMTs

Anode (pads)

Anode (pads)

Liq. Xe

Cathode

For 511 keV γ

33,000 e-

35,000 photons

シンチレータ　 Liq. Xe NaI:Tl GSO BGO LSO LGSO LYSO LaBr3

密度 (g/cm3) 3.06 3.67 6.71 7.13 7.4 6.5-7.3 7.25 5.29

蛍光減衰時間 (ns) 2, 30 230 30-60 300 42 40-100 41 16

蛍光出力（相対値） 80 100 20-24 10-12 40-80 40-80 80 130

発光波長 λem(nm) 175 415 430 480 420 420 420 380

屈折率 (at λem) 1.60 1.85 1.85 2.15 1.82 1.82 1.81 1.9

放射線強度 (gray) 103 >106 102-3 105

吸収潮解性 なし　 強い　 なし　 なし　 なし　 なし　 なし　 あり　

放射性　　　　　　　　　なし　 なし　 なし　 なし　 あり　 あり　 あり　 なし

融点 (°C) -111.6 651 1950 1050 2150 2100 2100 783

へき開 　　　　　　 なし　 なし　 (100) 面　 なし　 なし　 (100) 面　 なし　 なし

育成方法　　　　　　　　－　　 BR CZ CZ, BR CZ CZ CZ BR

PET用シンチレータ比較

Event Building (ASIC/FPGA/PC)Scintillation (PMT)

i. Digitization

Base line subtraction

P(ij){θ,z,t,E}

ii. Cluster search

|t(ij) – t(ij±)|<δt

|θ(ij) – θ(ij±)|<δθ

|z(ij) – z(ij±)|<δy

iii. Cluster values

E(i)=ΣE(ij)

θ(i)=ΣE(ij)θ(ij)/ΣE(ij)

z(i)=ΣE(ij)z(ij)/ΣE(ij)

r(i)=f(θ(ij),z(ij),E(ij))

S(i){r,θ,z,t,E}

Ionization (TPC)

1. Amplification

2. Digitization

Base line subtraction

I(kl){r,z,t,E}

3. Cluster search

|t(kl) – t(kl±)|<δt

|θ(kl) – θ(kl±)|<δθ

|r(kl) – r(kl±)|<δr

4. Cluster values (not z)

E(k)=ΣE(kl)

θ(k)=ΣE(kl)θ(kl)/ΣE(kl)

r(k)=ΣE(kl)r(kl)/ΣE(kl)

T(k){r,θ, ,t,E}

Matching5. Matching with S(i){r,θ,z,t,E} |E(i) – E(k)|<δE |r(i) – r(k)|<δr |θ(i) – θ(k)|<δθ z(k)=v(t(k) – t(i)) |z(i) – z(k)|<δz T(k){r,θ,z,t,E}6. Individual photon values G(m){r(k),θ(k),z(k), t(i),E(i) or E(k)}7. Pair matching |t(m) – t(n)|<δt8. Event H(a){G(m),G(n)}

Matching between PMT and TPC

PMT

TPC

S(i){r,θ,z,t,E}

Δt=t(k) – t(i)=z(i)/v

T(k){r,θ, ,t,E}

t

t

Additional requirement: S(i){r,θ,E} ≈ T(k){r,θ,E}

v=2.2 mm/μsec

Localization along LORTime-of-Flight method

Time difference between two facing PMT clusters

)(22 21 Tc

TTc

x

systemTOFofresolutiontimeT :

xc + x

T1 T2

Mid-point source

LORLiq. Xe

PMTs

Body

Fake

Real

Interaction of 511 keV photons with Liq. Xenon

Compton scattering 78 %

Photoelectric absorption 22 %

Scintillation Wph=21.6 eV

23,700 photons

λ=175 nm

τ=2, 40 ns

Ionization Wion=15.6 eV

32,800 ionization e-

v=2.2 μsec/cm

Total attenuation μ=0.0951 cm2/g

Example: exp{-0.0951x9x3.04}=0.074

93 % for 9 cm thick

Photon Angle

Compton telescopeInteraction:

Photon of 511 keV with Liq. Xe

78%: Compton scattering

22%: Photoelectric Absorption

321

322 11cos

TEE

TEE

m

Notation:In-coming photon energy: E1 = E2 + T3

Scattered photon energy: E2 (measured) angle: θRecoiled electron energy: T3 (measured)3D coordinates of two interactions: x1, x2 (measured)Electron mass: m (known)

E1=511 keV

Photoelectric/

Compton: E2

e-: T3

Compton/

Photoelectric

θ

γ １

γ2

E E

B

MRI/PET

Summary

• Technologies of H.E. Physics are applied for PET

• Liq. Xe TPC is the main detector

• Scintillation is also used for time stamp and rough localization of gamma rays

• Electrons drift along the body axis

• High resolution 3D positions of gamma rays

• Large coverage is possible almost w/o dead space– High sensitivity– Possible dynamic imaging

• Possible BG rejection w/ Compton spectrometer and TOF

• Compatibility with MRI